EP0362057A1 - Dispositif pour engendrer une image infrarouge - Google Patents

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EP0362057A1
EP0362057A1 EP89402650A EP89402650A EP0362057A1 EP 0362057 A1 EP0362057 A1 EP 0362057A1 EP 89402650 A EP89402650 A EP 89402650A EP 89402650 A EP89402650 A EP 89402650A EP 0362057 A1 EP0362057 A1 EP 0362057A1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41J—TARGETS; TARGET RANGES; BULLET CATCHERS
    • F41J2/00—Reflecting targets, e.g. radar-reflector targets; Active targets transmitting electromagnetic or acoustic waves
    • F41J2/02—Active targets transmitting infrared radiation

Definitions

  • the subject of the present invention is a device for generating an infrared image, comprising a transparent screen in the infrared and supporting a plurality of pixels of material with high emissivity in the infrared, and means for selectively heating the material of each of said pixels.
  • Such a device is used to test infrared imaging devices, such as for example missile seeker, by reproducing infrared images in the laboratory as close as possible to those that will be encountered in reality.
  • the selective heating means comprise an electron beam or a laser beam, of small diameter compared to the dimensions of a pixel, which bombards a portion, in the form of a median strip, of a thin layer of material which is a good thermal conductor, a layer which extends over an area equal to that of a pixel.
  • This layer has the function, on the one hand, of converting the energy of the beam into heat and, on the other hand, of diffusing the heat arising on the strip-shaped portion to the entire surface of the layer. and parallel to this layer.
  • Two blocks of thermal insulating material placed in contact with the previous layer and on each side of the path of the electron beam before its impact, slowly diffuse the heat of the layer, perpendicular, this time to this layer, and in the opposite direction displacement of the electrons, towards two layers of material with high emissivity in the infrared, here two layers of black body, whose function is to convert heat into infrared radiation, these two layers of black body constituting the pixel proper.
  • the preceding blocks such as the layer for converting the energy of the beam into heat, arranged between the two layers of black body and the screen, are transparent to infrared.
  • the device In the case where the beam providing energy to the pixels is an electron beam, the device is presented as a cathode ray tube which makes it possible to obtain animated infrared images from a video signal of known type.
  • the screen structure of such a device is relatively complex and therefore of a high production cost. Furthermore, the performance of such a device is limited due to the use of a low power beam, this being imposed by its necessarily restricted diameter.
  • the present invention aims to overcome these drawbacks.
  • heating means comprise a beam of electrons directly bombarding said material with high emissivity, and of section at least substantially equal to the surface of a pixel.
  • the material with high emissivity ensures, in addition to the conversion of heat into infrared radiation, which it already ensures in the known device, the conversion of the energy of the beam into heat, which was provided, in the known device, by the layer of material which is a good conductor of heat.
  • This result is made possible in particular because the cross section of the beam is at least equal to the surface of the pixel, which means that the conversion of the energy of the beam into heat occurs over the entire surface of the pixel, instead of occurring over a limited portion of this area. As a result, it is no longer necessary to diffuse the heat, parallel to the screen surface, to that it occupies the entire surface of the pixel.
  • the black body performs the function of converting the energy of the beam into heat, which results in an extremely simple structure.
  • the diameter of the beam is significantly larger than in the known device, due to the increase in the current generating this beam. Therefore, the increase in the power transported by the beam, for heating the black body to higher temperatures than those of the known device, does not pose any particular problems.
  • the device of the invention makes it possible to produce infrared images whose maximum intensity is notably greater than that of the known device.
  • a cross-linked layer of transparent infrared material and thermal insulator is disposed between said screen and said pixels.
  • said screen is a thermal conductor, and means are provided for cooling said screen, in order to dissipate calories at a temperature close to ambient temperature.
  • the image obtained remains well contrasted, and if it is animated, its drag is reduced.
  • a layer, anti-reflection in the wavelength range of use of the infrared image is deposited on said screen.
  • This device comprises a cathode ray tube 1, of known type, provided with a screen 2, arranged to transform into infrared radiation the energy of the electron beam 11 of the tube 1.
  • an animated infrared image is obtained in order to test infrared imaging systems, for example.
  • the screen 2 here mainly comprises a plate 21 of transparent material in the infrared and thermal conductor.
  • the material of the plate 21 is for example silicon for the range of wavelengths between 3 and 5 microns, or germanium, for the wavelength range between 8 and 12 microns.
  • the thickness of the plate 21 is here from 5 to 10 mm.
  • the material of layer 22 is arsenic trisulphide As2S3, or arsenic triselenide As2Se3, or chalcogenide glass Ge33As12Se55 or even silver chloride AgCl.
  • the choice of one of these materials is linked to the temperature likely to be reached by layer 22.
  • the trisulphide and the arsenic triselenide can be used up to 150 ° C, the chalcogenide glass up to 300 ° C, and silver chloride glass up to 900 ° C. However, these last two compounds have a higher thermal conductivity.
  • the layer 22 are practiced two series of grooves 23 within 20 microns wide and 200 microns deep, the grooves 23 of one series being all parallel to each other and perpendicular to the grooves 23 of the other series.
  • the grooves 23 of a series repeat with a step of 250 microns.
  • the layer 22 is thus crosslinked and therefore comprises a plurality of elementary blocks 24 of 200 x 250 x 250 microns.
  • the layer 22 is deposited, in a known manner, by evaporation, by pouring glass or by bonding, and the grooves 23 are engraved mechanically, for example with diamond, or again by photolithography, or even by laser machining.
  • Random crosslinking can be obtained by exploiting the differences in thermal expansion between the screen and the insulating layer. If the latter is higher, during cooling it will contract more, and if its modulus of rupture is weaker than its adhesion to the screen, it will fragment into scales constituting the crosslinking which will thus be obtained naturally, the average dimension of the scales being a complex function of the thickness and of the modulus of rupture of the layer.
  • each block 24 is deposited, by evaporation at high temperature, a layer 25 of a material with high emissivity in the infrared, here a black body, in this case of chromium oxide.
  • the thickness of layer 25 is of the order of a micron.
  • each portion of layer 25 is a pixel of the infrared image appearing on screen 2.
  • the periphery of the plate 21 is integral with a cooling device, for example a ring 3 with water circulation.
  • the cathode ray tube 1 is, for example, and screen aside, of the type marketed by the company RTC under the reference 221 P 14. This tube is intended to scan a screen of 100 x 75 mm, with a beam section 11 d '' about 250 microns in diameter, capable of carrying a current of 2 mA at a voltage of 30 kV.
  • the power of the electron beam 11 is thus 60 W.
  • the device which has just been described operates as follows.
  • the electron beam 11 scans the rear face of the plate 21 as it would in a conventional tube. he bombards successively, and directly the chromium oxide, or black body, of each layer, or pixel, 25.
  • the section of the beam 11 is here substantially equal to the total surface of the layer 25, and the latter acts both to convert the energy provided by the beam 11 into heat and to convert this heat into infrared radiation.
  • the layer 25 is therefore heated directly by the bundle 11.
  • the layer 25 emits infrared radiation linked to the power of the beam at the time when it bombarded it with a remanence duration greater than the renewal duration, in order to limit the "flickering" of the image.
  • this persistence specification may disappear if the device is intended to test systems using mosaics of detectors. Only the synchronization of lines or images is to be ensured.
  • the infrared radiation emitted by the layer 25 passes through the block 24, the plate 21, and the layer 26.
  • this layer 25 is indeed a pixel of the infrared image obtained since it is it which is at the origin of the radiation. observed.
  • the part of the radiation whose wavelength is in the range where the anti-reflection layer 26 is effective travrse this layer 26.
  • the remaining part of the radiation, which does not cross the layer 26, is reflected towards the layer 25 of black body, in which it is again converted into heat, which further increases the efficiency of the assembly.
  • the plate 21 is good thermally conductive, and it is cooled by the cooling ring 3 so to permanently evacuate the heat from the blocks 24. This prevents a gradual rise in temperature of the plate 21 which would, otherwise, lower the contrast of the image, and introduce dragging of the moving images.
  • One of the advantages of the invention in addition to its particularly simple structure, is the high temperature which each of the chromium oxide layers is capable of reaching.

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Abstract

Un faisceau d'électrons, de section sensiblement égale à la surface d'un pixel (25) réalisé dans un matériau à fort pouvoir émissif dans l'infrarouge, bombarde directement ce matériau. L'énergie du faisceau est transformée en chaleur, puis en rayonnement infrarouge, dans le matériau. Chaque pixel (25) est supporté par un pavé (24), en matériau transparent aux infrarouges, isolant thermique et déposé sur un écran (21) transparent aux infrarouges et conducteur thermique. L'invention permet la production d'images infrarouge de grande dynamique pour les essais des systèmes d'imagerie infrarouge.

Description

  • La présente invention a pour objet un dispositif pour engendrer une image infrarouge, comprenant un écran transparent dans l'infrarouge et supportant une pluralité de pixels en matériau à fort pouvoir émissif dans l'infrarouge, et des moyens pour chauffer, de façon sélective, le matériau de chacun desdits pixels.
  • Un tel dispositif est utilisé pour essayer des dispositifs d'imagerie infrarouge, comme par exemple des autodirecteurs de missile, en reproduisant en laboratoire des images infrarouge aussi proches que possible de celles qui seront rencontrées dans la réalité.
  • On connaît déjà un dispositif du type défini ci-dessus, décrit dans le brevet US 4 572 958. Dans ce dispositif, les moyens de chauffage sélectif comprennent un faisceau d'électrons ou un faisceau laser, de diamètre faible par rapport aux dimensions d'un pixel, qui vient bombarder une portion, en forme de bande médiane, d'une couche peu épaisse de matériau bon conducteur thermique, couche qui s'étend sur une surface égale à celle d'un pixel. Cette couche a pour fonction, d'une part, de convertir l'énergie du faisceau en chaleur et, d'autre part, de diffuser la chaleur prenant naissance sur la portion en forme de bande vers l'ensemble de la surface de la couche et parallèlement à cette couche. Deux pavés de matériau isolant thermique, disposés en contact avec la couche précédente et de chaque côté du trajet du faisceau d'électrons avant son impact, diffusent lentement la chaleur de la couche, perpendiculairement, cette fois, à cette couche, et en sens inverse du déplacement des électrons, vers deux couches de matériau à fort pouvoir émissif dans l'infrarouge, ici deux couches de corps noir, dont la fonction est de convertir la chaleur en rayonnement infrarouge, ces deux couches de corps noir constituant le pixel proprement dit. Naturellement, les pavés précédents, comme la couche de conversion de l'énergie du faisceau en chaleur, disposés entre les deux couches de corps noir et l'écran, sont transparents aux infrarouges.
  • Dans le cas où le faisceau apportant l'énergie aux pixels est un faisceau d'électrons, le dispositif se présente comme un tube cathodique qui permet d'obtenir des images infrarouge animées à partir d'un signal vidéo de type connu.
  • Toutefois, la structure de l'écran d'un tel dispositif est relativement complexe et donc d'un coût de réalisation élevé. Par ailleurs les performances d'un tel dispositif sont limitées du fait de l'utilisation d'un faisceau de faible puissance, celle-ci étant imposée par son diamètre nécessairement restreint.
  • La présente invention vise à pallier ces inconvénients.
  • A cet effet, elle a pour objet un dispositif du type défini ci-dessus, caractérisé par le fait que lesdits moyens de chauffage comprennent un faisceau d'électrons bombardant directement ledit matériau à fort pouvoir émissif, et de section au moins sensiblement égale à la surface d'un pixel.
  • Dans le dispositif de l'invention, la matériau à fort pouvoir émissif assure, en plus de la conversion de chaleur en rayonnement infrarouge, qu'il assure déjà dans le dispositif connu, la conversion de l'énergie du faisceau en chaleur, qui était assurée, dans le dispositif connu, par la couche de matériau bon conducteur de la chaleur. Ce résultat est rendu possible notamment parce que la section du faisceau est au moins égale à la surface du pixel, ce qui fait que la conversion de l'énergie du faisceau en chaleur se produit sur toute la surface du pixel, au lieu de se produire sur une portion limitée de cette surface. En conséquence, il n'est plus nécessaire de diffuser la chaleur, parallèlement à la surface de l'écran, pour qu'elle occupe toute la surface du pixel. Il devient alors possible de faire assurer par le corps noir la fonction de conversion de l'énergie du faisceau en chaleur, ce qui a pour conséquence une structure extrêmement simple. Dans le dispositif de l'invention, le diamètre du faisceau est notablement plus grand que dans le dispositif connu, du fait de l'augmentation du courant générant ce faisceau. De ce fait, l'augmentation de la puissance transportée par le faisceau, pour chauffer le corps noir à des températures plus élevées que celles du dispositif connu, ne pose pas de problèmes particuliers. Ainsi le dispositif de l'invention permet de produire des images infrarouge dont l'intensité maximale est notablement supérieure à celle du dispositif connu.
  • Avantageusement, une couche réticulée de matériau transparent dans l'infrarouge et isolant thermique est disposée entre ledit écran et lesdits pixels.
  • Dans ce cas, une rémanence de l'image est assurée, qui limite son papillotement, et les bavures d'un pixel sur les voisins sont évitées. Cette rémanence ne constitue toutefois plus une nécessité pour tester les systèmes infrarouge modernes utilisant des barrettes ou des mosaïques ; seule la synchronisation des lignes ou des images doit être assurée entre le générateur et le dispositif observateur.
  • Avantageusement encore, ledit écran est un conducteur thermique, et il est prévu des moyens de refroidissement dudit écran, afin de dissiper les calories à une température voisine de la température ambiante.
  • Dans ce cas, l'image obtenue reste bien contrastée, et si elle est animée, son traînage est réduit.
  • Avantageusement toujours, une couche, anti-reflet dans la gamme de longueurs d'onde d'utilisation de l'image infrarouge, est déposée sur ledit écran.
  • Ainsi est assuré un rendement maximal, car les rayonnements émis mais non utiles sont réfléchis vers le corps noir où ils se transforment à nouveau en chaleur.
  • La présente invention sera mieux comprise grâce à la description suivante de la forme de réalisation préférée du dispositif de l'invention, faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
    • - la figure 1 représente une vue, en coupe partielle, du dispositif de l'invention, et,
    • - la figure 2 représente une vue en perspective d'une portion de l'écran du dispositif de la figure 1.
  • En se référant à la figure 1, un dispositif pour engendrer une image infrarouge est maintenant décrit.
  • Ce dispositif comprend un tube cathodique 1, de type connu, pourvu d'un écran 2, agencé pour transformer en rayonnements infrarouge l'énergie du faisceau d'électrons 11 du tube 1.
  • Ainsi on obtient, à partir d'un signal vidéo de type connu, représentatif d'une image réelle ou synthétique, et appliqué au tube 1, une image infrarouge animée pour essayer en laboratoire des systèmes d'imagerie infrarouge, par exemple.
  • Comme le montre la figure 2, l'écran 2 comprend ici principalement une plaque 21 de matériau transparent dans l'infrarouge et conducteur thermique. Le matériau de la plaque 21 est par exemple du silicium pour la gamme des longueurs d'onde comprises entre 3 et 5 microns, ou du germanium, pour la gamme des longueurs d'onde comprises entre 8 et 12 microns. L'épaisseur de la plaque 21 est ici de 5 à 10 mm.
  • Sur la face de la plaque 21 disposée à l'intérieur du tube 1 est déposée une couche 22 d'épaisseur ici égale à 250 microns, réalisée dans un matériau transparent dans l'infrarouge et isolant thermique. Ici, le matériau de la couche 22 est du trisulfure d'arsenic As₂S₃, ou du triséléniure d'arsenic As₂Se₃, ou du verre au chalcogénure Ge₃₃As₁₂Se₅₅ ou encore du chlorure d'argent AgCl. Le choix de l'un de ces matériaux est lié à la température susceptible d'être atteinte par la couche 22. Le trisulfure et le triséléniure d'arsenic sont utilisables jusqu'à 150°C, le verre au chalcogénure jusqu'à 300°C, et le verre au chlorure d'argent jusqu'à 900°C. Toutefois, ces deux derniers composés ont une conductibilité thermique plus élevée.
  • Dans la couche 22 sont pratiquées deux séries de sillons 23 d'ici 20 microns de large et 200 microns de profondeur, les sillons 23 d'une série étant tous parallèles entre eux et perpendiculaires aux sillons 23 de l'autre série. Les sillons 23 d'une série se répètent avec un pas d'ici 250 microns.
  • La couche 22 est ainsi réticulée et comprend donc une pluralité de pavés 24 élémentaires de 200 x 250 x 250 microns.
  • La couche 22 est déposée, de façon connue, par évaporation, par coulage de verre ou par collage, et les sillons 23 sont gravés mécaniquement, par exemple au diamant, ou encore par photolithogravure, ou encore par usinage laser. Une réticulation aléatoire peut être obtenue en exploitant les différences de dilatation thermique entre l'écran et la couche isolante. Si cette dernière est plus élevée, lors du refroidissement elle se contractera plus, et si son module de rupture est plus faible que son adhérence sur l'écran, elle se fragmentera en écailles constituant la réticulation qui sera ainsi obtenue naturellement, la dimension moyenne des écailles étant une fonction complexe de l'épaisseur et du module de rupture de la couche.
  • Sur la face libre, parallèle à la plaque 21, de chaque pavé 24 est déposée, par évaporation à haute température, une couche 25 d'un matériau à fort pouvoir émissif dans l'infrarouge, ici un corps noir, en l'occurrence de l'oxyde de chrome. L'épaisseur de la couche 25 est de l'ordre du micron. Comme cela sera mieux compris dans la suite, chaque portion de couche 25 est un pixel de l'image infra-rouge apparaissant sur l'écran 2.
  • Sur la face de la plaque 21 disposée à l'extérieur du tube 1 est déposée une couche 26 d'un matériau, de type connu, anti-reflet dans la gamme de longueurs d'onde dans laquelle on souhaite utiliser l'image infra-rouge.
  • La périphérie de la plaque 21 est solidaire d'un dispositif de refroidissement, par exemple une couronne 3 à circulation d'eau.
  • Le tube cathodique 1 est, par exemple, et écran mis à part, du type commercialisé par la Société RTC sous la référence 221 P 14. Ce tube est prévu pour balayer un écran de 100 x 75 mm, avec une section du faisceau 11 d'environ 250 microns de diamètre, susceptible de transporter un courant de 2 mA sous une tension de 30 kV. La puissance du faisceau d'électrons 11 est ainsi de 60 W.
  • Le dispositif qui vient d'être décrit fonctionne comme suit.
  • Le faisceau d'électrons 11 balaye la face arrière de la plaque 21 comme il le ferait dans un tube classique. Il bombarde successivement, et directement l'oxyde de chrome, ou corps noir, de chaque couche, ou pixel, 25.
  • La section du faisceau 11 est ici sensiblement égale à la surface totale de la couche 25, et celle-ci agit à la fois pour convertir en chaleur l'énergie apportée par le faisceau 11 et pour convertir cette chaleur en rayonnement infrarouge. La couche 25 est donc chauffée directement par le faisceau 11.
  • A cause des sillons 23, et de la faible conductivité thermique du pavé 24, la chaleur ainsi créée reste confinée latéralement, pour éviter qu'un pixel ne bave sur l'autre, et pendant une durée compatible avec le balayage de l'image par le faisceau. Ainsi, la couche 25 émet un rayonnement infrarouge lié à la puissance du faisceau au moment où il l'a bombardée avec une durée de rémanence supérieure à la durée de renouvellement, pour limiter le "papillotement" de l'image. Comme précisé plus haut, cette spécification de rémanence peut disparaître si le dispositif est destiné à tester des systèmes exploitant des mosaïques de détecteurs. Seul la synchronisation des lignes ou des images est à assurer.
  • Le rayonnement infrarouge émis par la couche 25 traverse le pavé 24, la plaque 21, et la couche 26. Ainsi, cette couche 25 est bien un pixel de l'image infrarouge obtenue puisque c'est elle qui est à l'origine du rayonnement observé. La partie du rayonnement dont la longueur d'onde est dans la gamme où la couche 26 anti-reflet est efficace travrse cette couche 26. Par contre, la partie restante du rayonnement, qui ne traverse pas la couche 26, est réfléchie vers la couche 25 de corps noir, dans laquelle elle est convertie à nouveau en chaleur, ce qui augmente d'autant le rendement de l'ensemble.
  • La plaque 21 est bonne conductrice thermiquement, et elle est refroidie par la couronne de refroidissement 3 afin d'évacuer, en permanence, la chaleur des pavés 24. Cela évite une montée en température progressive de la plaque 21 qui finirait, sans cela, par abaisser le contraste de l'image, et par introduire un traînage des images animées.
  • Un des avantages de l'invention, outre sa structure particulièrement simple, est la température élevée qu'est susceptible d'atteindre chacune des couches 25 d'oxyde de chrome.
  • Un calcul simple montre en effet qu'avec un faisceau d'électrons de 60 W, qui balaye un écran de 100 x 75 mm, la température des couches 25 peut théoriquement atteindre 255°C. En pratique, cette température sera un peu plus basse, dépendant notamment de la conductibilité thermique et de l'épaisseur des pavés 24 et de la température de la plaque 21. Néanmoins, le dispositif permet de produire des images pour lesquelles le rayonnement infrarouge varie avec une dynamique importante.
  • Naturellement, il est possible d'augmenter encore l'intensité du rayonnement émis, c'est-à-dire la radiance du corps noir, en réduisant la taille de la surface balayée, toutes choses étant égales par ailleurs.
  • Il est évident que les différentes valeurs numériques n'ont été données qu'à titre d'exemple au cours de la description précédente, et qu'il est à la portée de l'homme de métier de les modifier, le cas échéant, en fonction des caractéristiques du tube et du faisceau employés. A titre d'exemple, avec un faisceau de diamètre donné, il est possible de réduire la taille des pixels jusqu'à ce que la dimension de ceux-ci soit sensiblement la moitié du diamètre du faisceau. En effet, on réalise alors un échantillonnage spatial de l'image, qui reste cependant lisible tant que le théorème de Shannon est respecté.

Claims (5)

1. Dispositif pour engendrer une image infrarouge comprenant un écran (21), transparent dans l'infrarouge et supportant une pluralité de pixels (25) en matériau à fort pouvoir émissif dans l'infrarouge, et des moyens (11) pour chauffer, de façon sélective, le matériau de chacun desdits pixels, caractérisé par le fait que lesdits moyens de chauffage comprennent un faisceau d'électrons (11) bombardant directement ledit matériau à fort pouvoir émissif et de section au moins sensiblement égale à la surface d'un pixel (25).
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel une couche réticulée (22) de matériau transparent dans l'infrarouge et isolant thermique est disposée entre ledit écran (21) et lesdits pixels (25).
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le matériau de ladite couche réticulée (22) est choisi parmi les matériaux suivants : trisulfure d'arsenic As₂S₃, triséléniure d'arsenic As₂Se₃, verre au chalcogénure Ge₃₃As₁₂Se₅₅, et chlorure d'argent AgCl.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel ledit écran (21) est un conducteur thermique et il est prévu des moyens (3) de refroidissement dudit écran (21).
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel une couche (26), anti-reflet dans la gamme de longueurs d'onde d'utilisation de l'image infrarouge, est déposée sur ledit écran (2).
EP89402650A 1988-09-30 1989-09-27 Dispositif pour engendrer une image infrarouge Expired - Lifetime EP0362057B1 (fr)

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FR8812790A FR2637415B1 (fr) 1988-09-30 1988-09-30 Dispositif pour engendrer une image infrarouge

Publications (2)

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EP0362057A1 true EP0362057A1 (fr) 1990-04-04
EP0362057B1 EP0362057B1 (fr) 1994-05-04

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EP89402650A Expired - Lifetime EP0362057B1 (fr) 1988-09-30 1989-09-27 Dispositif pour engendrer une image infrarouge

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EP (1) EP0362057B1 (fr)
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